膨潤土膨脹變形與膨脹力試驗研究

沈一軍，朱贊成，鄭最

（臺州學院建筑工程學院，浙江臺州318000）

膨潤土膨脹變形與膨脹力試驗研究

沈一軍，朱贊成，鄭最

（臺州學院建筑工程學院，浙江臺州318000）

膨潤土被選為高放廢物深層地質處置庫的緩沖/回填材料，有必要研究其力學性能。使用固結儀對不同干密度和含水率的鈣基膨潤土進行了膨脹變形與膨脹力的試驗研究。試驗結果表明：膨潤土的膨脹應變主要取決于膨潤土的初始干密度和含水率，隨著初始干密度的增加而增加，隨初始含水率的增加膨脹變形逐漸減小。

膨潤土；高放廢物；膨脹力；膨脹變形

因膨潤土具有滿足工程屏障材料所需的長期穩定性、低滲透性、高膨脹性、吸附陽離子等性能優點，被眾多國家選為理想核廢料緩沖/回填材料［1］。

王志儉和劉泉聲［2］（2000）對壓密膨潤土混合物相同初始干密度分別在2種不同初始含水率進行了一維膨脹變形和膨脹力試驗。劉泉聲和王志儉［3］（2002）研究了砂-膨潤土混合物在不同含水量（4%～17.9%）、膨潤土含量（10%～50%）和干密度（1.35～1.84 g·cm-3）狀態下的膨脹性能。葉為民等［4］（2007）使用UPC固結儀采用恒體積法對高壓實高廟子膨潤土GMZ01進行了膨脹力試驗研究。秦冰等［5］（2008）使用固結儀對高廟子鈉基膨潤土進行不同干密度、豎向壓力、浸泡液體以及吸濕方式的膨脹變形試驗。Sun（2009）等［6］對Kuni?gel V1膨潤土進行了膨脹變形試驗，得到了一個垂直應力與膨潤土孔隙比的線型公式。胡畔和楊慶［7］（2012）運用自行研制的膨脹儀對膨潤土加砂混合物進行了一系列膨脹力及膨脹應變等膨脹特性的試驗研究，分析了膨脹力隨時間的變化規律、兩向膨脹力之間的關系和膨脹應變與時間及吸水量之間的關系。Ye［8］（2013）研究了高廟子鈉基膨潤土在25～80℃下的溫度和吸力循環試驗。Komine［9］（2004）研究了4種膨潤土的膨脹變形，得到與膨潤土的最大膨脹變形與膨潤土的初始干密度有關。Romero等［10］（2005）對Boom clay與FE?BEX膨潤土進行了不同溫度循環下兩種膨潤土的變形特性研究。Lloret和Villar［11］（2007）利用溫度和吸力控制方法，研究了在不同溫度下非飽和FEBEX膨潤土膨脹變形規律。Lloret和Villar［12］（2008）對高壓實膨潤土在不同干密度和不同初始含水量進行了膨脹特性的研究。Tang等［13］（2008）設計了一新控溫和控制吸力的設備研究了不同溫度和吸力對MX80膨潤土變形特性的影響，結果表明高吸力下，加熱導致試樣產生熱膨脹；在高應力、低吸力下，加熱導致試樣產生熱收縮。

本文進一步研究初始干密度和初始含水率對膨潤土膨脹變形和膨脹力的影響，通過利用不同初始干密度和初始含水率，以揭示膨潤土膨脹變形和膨脹力的機理。

1 試樣材料與方法

1.1 材料

試驗所用的膨潤土為內蒙古高廟子鈣基膨潤土，其物理性質見表1。試驗儀器采用普通固結儀，環刀內徑為61.8mm，高度為20mm。

1.2 試樣制備

首先，將土樣風干、碾碎、過0.25mm的篩；再放入105℃的恒溫箱內24 h；然后在土樣表面均勻噴撒蒸餾水直至設計含水率，攪勻后裝入保鮮袋內密封12 h，使其水分達到均勻；壓制成設計干密度，制備成內徑61.8mm，高度10mm的試樣。

其次，把壓制好的試樣裝入固結儀，施加1 kPa的豎向預壓力，讀取初始讀數，再加載不同的豎向壓力。

最后，向固結儀內注入蒸餾水，測量不同時刻的變形量。膨脹變形試驗的各組試樣初始干密度和初始含水率及豎向壓力見表2所示。

膨脹力試驗采用恒體積法，制樣方法與膨脹變形相同，制好樣后，把試樣放入固結儀內，記下百分表的初始值，立即將蒸餾水倒入固結儀內，水面不要超過環刀高度，以方便試樣內的空氣排出，一旦百分表數值變化±0.01mm，就需增減砝碼，保證試樣的體積盡量保持不變。膨脹力試驗的試樣參數見表3所示。

2 試驗結果分析

2.1 膨脹變形

圖1為不同含水率的土樣靜壓至平均干密度1.17 g·cm-3的試樣在不同豎向壓力下固結穩定后和浸水飽和穩定后的孔隙比與豎向壓力的關系。從圖可知，在初始平均干密度約為1.17 g·cm-3的條件下，在不同豎向壓力下浸水飽和表現均為壓縮變形；且隨著豎向壓力的增大壓縮變形越大。從圖1（a）和（b）可看出隨著豎向壓力的增大，膨潤土在固結段壓縮變形也增大，吸濕后壓縮變形也增大。從圖1（c）可看出，在豎向壓力較小時，兩者的壓縮變形差別不大；但豎向壓力較大時，初始含水率為9%的試樣壓縮變形量比初始含水率21%的要稍微小。說明含水率較小時，試樣產生的膨脹量比初始含水率大的大。

圖1 不同含水率孔隙比與豎向應力關系Fig.1 Void ratio versus vertical stress relationship for different water content

表1 膨潤土的物理力學指標Tab.1 Physico-mechanical index

表2 試樣的初始狀態與豎向壓力Tab.2 Initial states and vertical pressures of all specimens

表3 膨脹力試驗試樣的初始狀態Tab.3 Parameters of all specimens for swelling pressure

膨潤土在一維豎向荷載下的膨脹（或濕化壓縮）變形孔隙比和應變分別為式（1）和（2）

式中：e為某一豎向壓力下某時刻對應的孔隙比；e0為試樣初始孔隙比；V0為試樣制好樣后的體積，cm3；Vs為試樣中土顆粒體積，cm3；Δh為試樣發生變形的高度，cm；A為試樣的面積，cm2。

式中：ε為某一豎向壓力下某時刻對應的膨脹應變，%；h0為制樣時試樣的高度，mm；a0為未加壓時百分表的初始值，mm；a1為固結變形穩定后的百分表數值，mm；a2為膨脹變形穩定后的百分表數值，mm。

圖2 膨潤土不同荷載下膨脹應變-時間關系圖Fig.2 Swelling strain of bentonite subjected to different vertical stresses

圖2為初始干密度為1.57 g·cm-3，初始含水率分別為9.5%和15%的鈣基膨潤土分別在100，200，400，800，1600 kPa 5種豎向壓力下的吸濕至飽和的膨脹變形過程的膨脹應變-時間關系曲線。由圖2可知，在相同條件下，隨著初始含水率的增大，最大膨脹應變而減小。

由圖1、圖2可知，當初始干密度較小時，膨潤土吸水飽和發生濕化壓縮變形，而當初始干密度較大時，膨潤土吸水飽和發生膨脹變形。

圖3為初始平均干密度為1.57 g·cm-3，在4種不同初始含水率，相同的豎向壓力800 kPa下，吸濕至飽和的膨脹應變時程曲線，由圖可知，在初始干密度基本一致下，最大膨脹應變隨初始含水率的增加而減小。

2.2 膨脹力

圖3 不同含水率800 kPa豎向荷載下膨脹應變圖Fig.3 Swelling strain of bentonite subjected to different water content at 800 kPa

圖4為同一初始干密度不同初始含水率條件下的膨脹力時程曲線圖。圖4（a）為初始干密度ρd，0=1.51 g·cm-3，3種不同初始含水率的膨脹力時程曲線圖，圖4（b）為初始干密度ρd，0=1.59 g·cm-3，3種不同初始含水率的膨脹力時程曲線圖。由圖可知，隨著初始含水率的，膨脹力逐漸減小。圖4（a）中的14.6%較20.8%小，可能加載過大導致試樣壓得更密了，試樣的滲透系數變小，試樣吸水飽和過程加長，導致膨脹力沒來得及發揮出來。

圖5為相同初始含水率不同初始干密度的試樣在吸水飽和過程中膨脹力的發展過程曲線圖。圖5（a）為初始含水率為14.6%不同初始干密度的膨脹力時程曲線，圖5（b）為初始含水率為20.8%不同初始干密度的膨脹力時程曲線，圖5（c）為初始含水率為26.9%不同初始干密度的膨脹力時程曲線。由圖可知，在相同初始含水率條件下，隨著初始干密度的增大，最大膨脹力逐漸增大。

圖5 同一含水率不同干密度的膨脹力時程曲線Fig.5 Progress of the swelling pressure with different dry density and the same water content

圖4 同一干密度不同含水率的膨脹力時程曲線Fig.4 Progress of the swelling pressure with different water content and the same dry density

3 總結

根據上述試驗數據分析可得如下結論：

1）膨潤土豎向膨脹應變隨初始干密度的增大而增大；

2）膨潤土在較高初始干密度下發生吸水膨脹，而在較低的初始干密度下發生吸水濕化產生壓縮變形；

3）膨潤土的膨脹應變隨初始含水率的增大而減??；

4）膨脹力隨初始干密度增大而增大，隨初始含水率的增大而減小。

參考文獻：

[1]徐國慶.緩沖/回填材料與添加劑的選擇[J].鈾礦地質,1996,12(4):238-244.

[2]王志儉,劉泉聲.密實砂-膨潤土混合物膨脹特性的試驗研究[J].巖土力學,2000,21(4):331-334.

[3]劉泉聲,王志儉.砂-膨潤土混合物膨脹力影響因素的研究[J].巖石力學與工程學報,2002,21(7):1054-1058.

[4]葉為民,SCHANZ T,錢麗鑫,等.高壓實高廟子膨潤土GMZ01的膨脹力特征[J].巖石力學與工程學報,2007,26(S2):3861-3865.

[5]秦冰,陳正漢,劉月妙,等.高廟子膨潤土的脹縮變形特性及其影響因素研究[J].巖土工程學報,2008,30(7):1005-1010.

[6]SUN D A,CUI H,SUN W.Swelling of compacted sand-bentonitemixtures[J].Applied Clay Science,2009,43:485-492.

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[13]TANG A M,CUI Y J,BARNEL N A.Newisotropic cell for studying the thermo-mechanical behavior of unsaturated expansive clays[J].Geotechnical Testing Journal,2007,30(5):341-348.

Experimental Study on Swelling Deformation and Pressure of Bentonite

Shen Yijun,Zhu Zancheng,Zheng Zui
(School of Civil Engineering and Architecture,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

It is necessary to study the physical andmechanical properties of bentonite,a kind of buffer/backfillmaterial for the deep geological disposal of high level radioactive waste.This paper,with the use of consolidome?ter,carries out experiments to study the swelling deformation and swelling pressure of ca-bentonites that differ in density and water content.Test results show that swelling strain of bentonite ismainly subjected to its initial dry density and water content,increasing as the initial dry density increases and decreasing as the initial water content increases.

bentonite;high-level radioactive waste;swelling pressure;swelling deformation

TU443

A

2014-02-27

國家自然科學基金項目（11272194）；浙江省大學生科技創新活動計劃項目（2013R428027）

沈一軍（1980—），男，實驗師，碩士，研究方向為土木工程教學與科研工作。

1005-0523（2014）04-0100-05